Теорія і практика термічної обробки та поверхневого зміцнення презентация

Анеоднорідний→Аоднорідний
1. Утворення аустеніту в сталі при нагріванні.
2
3
1
П
П→Анеоднор
Аоднорід
Фα(0,02%С)
Ц (6,67 %С)
А
vСВЧ
vпіч
Т
τ
чим більше швидкість нагріву, тим при більш високих температурах відбувається перетворення;
2) чим більше швидкість нагріву, тим скоріше відбувається перетворення.
Діаграма ізотермічного утворення А

Механізм утворення аустеніту при нагріванні
Процес утворення А при нагріванні має дифузійний характер
Складається з двох процесів:
Поліморфного α→γ перетворення в Fe, тобто перебудови ОЦК решітки на ГЦК
Розчинення Ц у γ-Fe
Фα
А
Ц

2. Характеристика діаграми ізотермічного перетворення аустеніту.
І
ІІ
ІІІ
Аr1
T
τ
Mп
Mк
І – область перлітного перетворення
(дифузійне)
ІІ – область бейнітного (проміжного)
перетворення (дифузійно-зсувне)
ІІІ – область мартенситного перетво-
рення (зсувне)
1
2
Значення областей діаграми
Значення ліній діаграми
1 – лінія, яка показує температуру і
час початку розпаду аустеніту
2 – лінія, яка показує температуру і
час кінця розпаду аустеніту
Mп – температура початку мартен-
ситного перетворення
Mк – температура кінця мартен-
ситного перетворення

Ф0,1..,0,2+Ц
Фазовий склад продуктів перетворень
Аr1
τ
Mп
Mк
А
А→Ф+Ц
Ф+Ц
А→М
М
П (перліт)
С (сорбіт)
Т (троостит)
Ф0,02+Ц
10HRC
30HRC
40HRC
М
Бв(Ф0,1+Ц) бейніт верхній
45HRC
Бн(Ф0,2+Ц) бейніт нижній
55HRC
М (мартенсит) – пересичений твердий розчин вуглецю в Feα

Причина зростання твердості
Перлітних структур: подрібнення структури
Бейнітних структур: часткове викривлення
кристалічної решітки заліза
внаслідок пересичення на
вуглець в 5...10 разів
Мартенситу: значне викривлення кристалічної
решітки заліза через значне
пересичення на вуглець

Основні особливості перлітного перетворення
Має дифузійний характер і складається з двох процесів:
Поліморфного γ→α перетворення в Fe, тобто перебудови ГЦК решітки на ОЦК
Виділення Ц із α-Fe
У вуглецевих сталях може відбуватись як при безперервному охолодженні, так і при сталій температурі
Аr1
T
τ
Mп
Mк
П
С
Т
масло
повітря
піч
5500
6000
6500
7000

Основні особливості бейнітного перетворення
Аr1
T
τ
Mп
Mк
5500
3000
Має дифузійно-зсувний характер і складається з двох процесів:
Поліморфного γ→α перетворення в Fe, тобто перебудови ГЦК решітки на ОЦК
Часткового виділення Ц із α-Fe, через що має місце утворення частково пересиченого фериту
У вуглецевих сталях може відбуватись тільки при сталій температурі
Бв(Ф0,1+Ц)
Бн(Ф0,2+Ц)
4000

Перетворення бездифузійне (зсувне) та відбувається в інтервалі температур Mп→Мк
Температури перетворення залежать від вмісту вуглецю в сталі
Швидкість росту кристалів М ~ 1 км/с
Основні особливості мартенситного перетворення
% С
Т
00С
0,5
Мп
Мк
А
М (І)
М (ІІ)

Перетворення при безперервному охолодженні
Аr1
Mп
Mк
τmin
У вуглецевій сталі при безперервному охолодженні можуть мати місце перлітне та мартенситне перетворення
Критична швидкість охолодження Vкрит – це мінімальна швидкість охолодження, при якій весь аустеніт перетворюється на мартенсит
Vкрит
А
П, С, Т
М
τmin – час мінімальної стійкості аустеніту проти розпаду

4. Перетворення при відпусканні загартованої сталі.
Перше: t < 2000C
Мгартування→Мвідпуску : зникає крихкість, а твердість залишається на тому ж рівні
Друге : 2000C < t < 3000C
Азалишковий → Мвідпуску : у високовуглецевих сталях дещо зростає твердість та розміри (на 3 %)
Третє : 3500C < t < 4500C
Мвідпуску → Тзернистий(Ф+Ц) : знижується міцність та зростає пружність
Четверте : 5000C < t < 6000C
Тзернистий → Сзернистий : відбувається коалесценція (укрупнення) карбідів, міцність ще знижується, але значно зростає в’язкість

5. Загальна характеристика та призначення основних видів термічної обробки.
термічна обробка
попередня
(для заготовок)
остаточна
(для готових виробів)
відпал
нормалізація
гартування з відпуском
Термічна обробка – це сукупність технологічних операцій нагрівання, витримування та охолодження, яку призначають з метою зміни механічних властивостей матеріалів.

Відпал
І роду
(підвищення температури лише прискорює процеси, які йдуть мимовільно)
ІІ роду
(підвищення температури викликає необхідні фазові перетворення)
дифузійний
усуває ліквацію
1000...12000С
рекристалізаційний
знімає наклеп
(0,3...0,4)Тплавл
повний
Ас3+30...500С (доевтектоїдні сталі)
для зняття напружень
160...7000С
ізотермічний (сталі із стійким А)
у двох печах: у І – вище, а у ІІ - нижче відповідних критичних точок
Відпал знімає напруження в структурі, викликані попередньою обробкою, знижує твердість та готує сталь до подальшої обробки. Охолодження у печі.
неповний
Ас1+30...500С (на зернистий перліт)
(евтект. та заевт.сталі)

Нормалізація знімає напруження в структурі, викликані попередньою обробкою, знижує твердість та готує сталь до подальшої обробки. Охолодження на повітрі, що є перевагою перед відпалом для доевтектоїдних сталей.
При нормалізації всі сталі нагріва-ють до аустенітного стану. При цьому можна змінити розмір зерна і отримати дрібніше зерно, ніж при відпалі. В результаті міцність дещо зростає.
Температури нагріву:
- доевтектоїдні сталі Ас3+30...500С
- евтектоїдні сталі Ас1+30...500С
- заевтектоїдні сталі Асm+30...500С
інтервал температур нагріву для нормалізації

Гартування сталі
Мета – зміцнення сталі.
Гартівні середовища: для вуглецевих доевтектоїдних сталей з %С<0,5 - вода, для інших з метою попередження напружень і виникнення тріщин використовують різні способи гартування.
Повне (Ас3+30...500С) – для доевтектоїдних сталей (%С<0,8)
Неповне (Ас1+30...500С) – для евтектоїдних та заевтектоїдних сталей (%С≥0,8)

Способи гартування сталі
Гартування в одному середовищі
Гартування у двох середовищах (переривчасте)
Ступінчасте гартування
Ізотермічне гартування
мартенсит
Ф+Ц

Види відпуску та їх призначення
Відпуск завершує термічну обробку виробів і надає їм кінцевих властивостей, через що розрізняють три види відпуску:
низький (150...2000С) – знімає крихкість та зберігає твердість (різальний та вимірювальний інструмент, поверхні тертя після поверхневого гартування або цементовані та загартовані поверхні)
середній (300...4500С) – надає пружність (пружини та ресори)
високий (500...6000С) – надає в’язкість при достатній міцності

6. Способи поверхневого зміцнення.
Конструктивна міцність багатьох деталей машин залежить від стану
матеріалу в поверхневих шарах деталей. Саме для надання в першу чергу високої зносостійкості такі вироби піддають поверхневому зміцненню.
а б
Профілі зубців зірочок ланцюгових передач:
а – після половини терміну експлуатації;
б – після повного терміну роботи.

В залежності від:
вимог до властивостей поверхні
умов роботи деталі
матеріалу, з якого виготовлено деталь використовують:
ОСНОВНІ СПОСОБИ
ПОВЕРХНЕВОГО ЗМІЦНЕННЯ
Поверхневе гартування
Поверхневе зміцнення наклепом
Хіміко-термічна обробка

Види поверхневого гартування
з нагрівом струмом високої частоти
з нагрівом полум’ям пальника
з лазерним нагрівом

Основні переваги:
Індукційне гартування характерізується високою швидкістю обробки
(швидкість нагріву сягає 500 К/с, що на 2...4 порядки більше швидкості
пічного нагріву)
економічність процесу при масовому виробництві однотипних деталей,
можливість механізації та автоматизації процесу
Нагрів СВЧ грунтується на тому, що у виробі, який вміщено в індуктор з червоної міді, яким іде СВЧ, виникають вихрові струми, що супроводжується виділенням тепла.
Основні переваги:
Індукційне гартування характерізується високою швидкістю обробки
(швидкість нагріву сягає 500 К/с, що на 2...4 порядки більше швидкості
пічного нагріву)
економічність процесу при масовому виробництві однотипних деталей,
можливість механізації та автоматизації процесу
Поверхневе гартування
з нагрівом струмом високої частоти
Генератори СВЧ
лампові
(з частотою 104...107 Гц)
шар від часток міліметрів
до 2...4 мм (деталі
невеликого розміру)
машинні
(з частотою 500...104 Гц)
шар 2 … 10 мм
(великі деталі).

Поверхневе гартування
з нагрівом полум’ям пальника
Для поверхневого гартування крупногабаритних виробів та в умовах ремонтного господарства використовують поверхневе гартування з нагрівом полум’ям пальника.
Газокисневе полум’я з температурою 2000...30000С спрямовують на потрібну ділянку поверхні. Шар глибиною 2...4 мм розігрівається до температур, вищих за Ас3 . Потім на розігріту ділянку крізь отвори в охолоджуючій частині наконечника пальника вибризкується вода.
Недоліки:
неточне регулювання глибини та температури загартованого шару;
можливість значного перегріву.

Переваги:
швидкість лазерного нагріву становить 104 ...106 К/с, що на 2...4 порядки вище швидкості індукційного, внаслідок чого приповерхневі внутрішні шари залишаються холодними;
після припинення нагріву відбувається охолодження поверхневого шару за рахунок відведення тепла в сусідні холодні шари, тобто гартівне середовище не потрібне;
під час лазерного нагріву утворюється дуже дрібне аустенітне зерно і залишаються нерозчиненими частки карбідів, що зумовлює підвищену міцність і зносостійність поверхневого шару (звичайно до 1 мм завтовшки);
завдяки надто малому часу перебування сталі при високій температурі окисленість поверхні зводиться до мінімуму.
Недолік: складність обладнання та коштовість обробки
Поверхневе гартування
з лазерним нагрівом

Поверхневе зміцнення наклепом
Поверхневе зміцнення наклепом використовується як заключна операція після механічної обробки (або після механічної і термічної обробки). Наклеп роблять :
стальним або чавунним дробом в середньому на грибину до 0,5 мм,
накаткою роликом до 5 мм
чеканкою до 15 мм.
Всі ці методи підвищують твердість і стійкість стальних поверхонь проти спрацювання, а головне, значно підвищують границю витривалості і термін служби деталей, що працюють під дією змінних і ударних навантажень (пружини, ресори, шийки колінчастих валів та ін.).
Підвищення механічних властивостей пов’язане з утворенням напружень стиску в поверхневих шарах, а загальне зміцнення - через зростання густини дислокацій в поверхні при пластичній деформації.

Цементація
Хіміко-термічна обробка
Ціанування
Азотування
Сутність: насичення робочих поверхонь виробів певними елементами з метою надання поверхневому шару необхідних властивостей.
Види ХТО
Умови:
розчинення насичуючого елемента в матеріалі деталі у твердому стані;
наявність насичуючого елемента у активному атомарному стані

Основні процеси при ХТО
Дисоціація
(розпад молекул з утво-ренням активних атомів потрібного елемента)
Абсорбція
(налипання активних атомів на поверхню виробу та встановлення міжатомних зв’язків)
Дифузія
(проникнення атомів
насичуючого елемента
у глибину виробу)
2NH3 → 2N + 3H2
NH3
N
H2
Поверхня виробу
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N
N

Цементація
(поверхневе насичення вуглецем)
у газовому
карбюризаторі
(природний газ)
у твердому
карбюризаторі
(сода + вугілля)
у рідкому
карбюризаторі
(розплави солей)
Мета: підвищення твердості та зносостійкості поверхні
Основні параметри процесу:
температура 880...9200С
глибина шару 0,4...2,0 мм
швидкість процесу: газова – 0,15 мм/год; тверда – 0,1 мм/год

Роль термічної обробки при цементації
Призначення: формує кінцеві властивості поверхневого шару
Стандартна термічна обробка: гартування (неповне або поверхневе з нагрівом СВЧ) з наступним низьким відпуском
А3
А1
Ц
Г
Вн
А3
А1
Ц
підстужування
Вн
А3
А1
Ц
ГІ
Вн
А3
А1
Ц
Г
Вн
ГІІ
00С
Подвійне гартування
Гартування з підстужуванням
Неповне гартування з відпуском
Гартування з обробкою холодом

Азотування
(поверхневе насичення азотом)
Мета: підвищення твердості, червоностійкості та корозійної стійкості поверхні
Основні параметри процесу:
темапература: 500…6000C (твердість, теплостійкість), 7000C (корозійна стійкість)
глибина шару 0,2...0,4 мм
швидкість процесу 0,01 мм/год (газове)
Термічна обробка проводиться до азотування: повне гартування з високим відпуском